JPH02243281A - ロボット教示方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はロボット教示方式、特にその位置姿勢および力
・トルクの教示方式に関するものである。

［従来の技術］ 教示を行う操作者が移動を指示する操作箱を操作してロ
ボットを実際にある位置姿勢に動かし、その時の位置姿
勢を記憶しておき、作業時にその位置姿勢を再生するこ
とをティーチングプレイバック方式といい、広〈産業用
ロボットの位置姿勢の教示に用いられている。

一方、位置姿勢および力・トルクを教示する方法として
、例えば、特開昭５９−１１６８０６号公報に示される
ように、ロボットアームに力・トルクセンサを取り付け
、さらに操作者が加えた力・トルクを測定する力・トル
クセンサを別に用意し、操作者が加えた力Φトルクの方
向にロボットアームが移動し、作業対象物に接触した状
態ではこの力・トルクと等しい力・トルクをロボットが
発生するよう制御し、そのときのロボットの位置姿勢を
位置姿勢教示データとし、操作者が加えている力・トル
クを力・トルク教示データとして記憶する方法がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の教示方法では高価な力・トルクセ
ンサを二つ用いる必要があり、操作者が加えた力・トル
クにより教示するため微妙に調整することが困難であり
、また、ある力・トルクの教示が終わるまでその力・ト
ルクを加え続ける必要があり、操作者への負担も大きい
。さらに、操作者が力・トルクを加える際にある一つの
方向のみに力あるいはトルクを加えるのは困難であり、
干渉のため予期せぬ移動が生じる恐れもある。

本発明は、力・トルクセンサを一つ用いるだけで位置姿
勢および力・トルクの教示が可能で、しかも、微妙な調
整もでき、操作者への負担も少ないロボットの教示方式
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るロボット教示方式は、ロボットアームに力
・トルクセンサを取り付け、バネ定数入力装置により操
作者が指定するバネ定数でもって外力の大きさに応じて
変位するバネとしてロボットアームを動作させ、移動を
指示するための操作箱などの操作手段により仮想的なバ
ネの中心位置姿勢を変化させるものである。

［作用コ 本発明においては、作業対象物に接触していない状態で
は、外力が作用していないため、仮想的なバネの中心位
置姿勢は実際のロボットアームの位置姿勢と一致し、操
作箱を操作することにより、ロボットは移動し、位置姿
勢の教示が可能となる。

また、作業対象物に接触した状態では、指定されたバネ
定数とバネの変位に応じた力・トルクを発生し、操作箱
を操作して仮想的なバネ中心位置姿勢を変化させること
により発生する力・トルクも変化し、位置姿勢および力
・トルクの教示が可能となる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例によるロボット制御装置の構
成図である。図において、（１）はロボットアーム、（
２）はロボットアーム（１）の手首部に組み込まれた力
・トルクセンサ、（３）はバネ定数を設定するための入
力装置である。（４）はバネ動作制御装置、（５）は操
作者が移動を指示するための操作箱、（６）はロボット
の位置姿勢および力・トルクを記憶するための記憶装置
、（７）は作業を行なう手先効果器、（８）は作業対象
物である。バネ動作制御装置（４）において、（９）は
ロボットアーム（１）の各関節を駆動するための駆動装
置、（１０）はロボットアーム（１）の関節位置を計ｎ
ノする位置検出装置、（１１）は操作者が操作箱５を操
作することにより移動されるバネ中心位置姿勢演算部、
（１２）は関節位置を直交座標系で表されたロボットア
ーム（１）の位置姿勢に変換する座標変換部、（１３）
は力・トルク計測値、バネ定数、バネ中心位置姿勢およ
びロボットアーム（１）の位置姿勢から、バネとして動
作するための位置姿勢の修正量を求めるバネ制御演算部
である。（１４）はバネ中心位置姿勢からバネとして動
作するため修正された位置姿勢指令値を生成する位置姿
勢指令生成部、（１５）は直交系で表された位置姿勢指
令を関節位置指令に変換する座標逆変換部、（１８）は
ロボットアーム（１）の関節位置を制御する関節位置制
御部である。

第２図は座標系の定義を示す説明図である。図において
、（１７）はワールド座標系（以下Ｗ系と記述）で、ロ
ボットの作業環境に設定された基準になる直交座標系で
ある。（１８）はバネ中心座標系（以下Ｃ系と記述）で
、仮想的なバネ中心位置姿勢を指定する直交座標系であ
る。（１９）は手先効果器に固定された座標系でエンド
エフェクタ座標系（以下Ｅ系と記述）とし、現在の手先
効果器の位置姿勢を表す。外力が作用していない状態で
はバネとしての変位がないので、Ｃ系とＥ系は一致する
ことになる。また、以下の説明において、ある座標系か
ら見た別の座標系を表すのに、原点の位置ベクトルＰで
位置を表し、回転を表す行列Ｒで姿勢を表す。

すなわち、 ｐ］　１　　　　（１） Ｐ−Ｃｐ　ｘ　　ｐｙ　　　ｚ ここで、ｔは転置を表し、［ｎ　　ｎ　　ｎ　　］ｔｘ
　　　ｙ　　　ｚ ［ｏ　　ｏ　　ｏ］　　、［ａ　　ａ　　ａ］ｔは、そ
ｘ　　　ｙ　　　ｚ　　　　　　　　　　　　ｘ　　　
ｙ　　　ｚれぞれ、表されている座標系のＸ軸ｙ　Ｍ　
ｚ軸を示す単位ベクトルである。

さらに、どの座標系で定義されているかを前方上付添字
で表し、どの座標系が表されているかを後方下付添字で
表す。例えば、ｖｐ　　、　　ＶＲｏはそれぞれＷ系で
表したＣ系の位置と姿勢である。

まず、バネ動作について説明する。

今、バネ定数入力装置（３）により設定されたバネ定数
が６行６列の行列Ｋｓで与えられ、力・トルクセンサ２
により計測されたロボットが対象に作用している力・ト
ルクを６行１列のベクトルＦａとし、力・トルクが０の
場合の位置姿勢と現在の位置姿勢の偏差を６行１列のベ
クトルΔＸで表すと、 Ｆａ＝ＫｓΔＸ（３） なる関係が成り立っていればバネとして動作しているこ
とになる。

そこで、バネ制御演算部（１３）は、バネ中心位置姿勢
演算部（１１）から得られたバネ中心位置姿勢と実際の
位置姿勢との偏差を求め、それにバネ定数入力装置（３
）で指定されているバネ定数をかけ、バネとして発生す
べき力・トルクを求める。それを力・トルクセンサ（１
）で計測される実際の力・トルクと比較し、それらが等
しくなるようにロボットアーム（１）の位置姿勢の修正
量を求める。次に、位置姿勢指令生成部（Ｉ４）が修正
された位置姿勢指令を演算し、それを座標変換部（１５
）で関節位置指令に変換し、関節位置制御部（１６）が
関節の位置制御を行ない、駆動装置（９）がロボットア
ーム（１）を駆動する。以上のようにしてバネ動作は実
現される。

また、バネ制御を実現する座標系としては、Ｅ系または
Ｗ系を考える。バネ中心位置姿勢と実際の位置姿勢の偏
差ΔＸは以下のように求まる。

とする。ただし、ΔＸｐは位置の偏差を表す３行１列の
ベクトル、ΔＸ「は姿勢の偏差を表す３行１列のベクト
ルである。

また、Ｗ系で表したバネ中心位置がＶｐ　　１姿勢が　
Ｒ６であり、手先効果器（７）の位置がｖＰ、姿勢がＶ
ＲＥであるとすると、Ｗ系で表した位置偏差１ΔＸｐは
、 ’ＡＸｐ−’Ｐ　　−’ＰＥ　　　　（５）である。

これをＥ系で表すと、 ＥΔＸｐ−（Ｒ）　　　ΔＸｐ ｌ　ｖ −（Ｒ）”−’（ｗＰ　　−’ＰＰ、）Ｅ　　　　　　
Ｃ となる。

次に姿勢の偏差ベクトルを求める。Ｅ系で表したＣ系の
姿勢ＥＲは ＥＲ−（ＲＥ） （ＶＲｏ（７） である。

とおくと、これと等価な姿勢の偏差ベクトルＥΔＸｒは
、 ただし、 である。

この偏差ベクトルをＷ系で表すと、 ゞΔＸｒ−ＲΔＸ　ｒ　　　　（１１）となる。

以上より、Ｗ系でバネ動作を行なっている場合バネがつ
りあった状態では、 が成り立ち、Ｅ系でバネ動作を行なっている場合バネが
つりあった状態では、 が成り立つ。

第３図は操作箱（５）の構成図であり、図において、キ
ー（５１ａ）および（５１ｂ）はバネ中心位置姿勢を動
かす座標系を選択するためのものである。

キー（５２ａ）および（５２ｂ）はバネ中心位置姿勢を
移動する速度として高速または低速を選択するためのも
のである。

キー（５３）〜（５８）は現在選択されている座標系の
各座標軸に沿った移動を操作者が指示するためのもので
ある。（５３ａ）はＸ軸一方向、（５３ｂ）はＸ軸＋方
向、（５４ａ）はｙ軸一方向、（５４ｂ）はｙ軸＋方向
、（５５ａ）は２軸一方向、（５５ｂ）は２軸＋方向の
並進移動を指示するためのキーであり、（５６ａ）はＸ
軸回り一方向、（５８ｂ）はＸ軸回り子方向、（５７ａ
）はｙ軸回り一方向、（５７ｂ）はｙ軸回り子方向、（
５８ａ）は２軸回り一方向、（５８ｂ）は２軸回り子方
向の回転移動を指示するたのキーである。

キー（５９）は記憶を指示するものであり、このキー　
（５９）が押されたときのロボットアーム（１）の位置
姿勢および力・トルクの計測値がメモリ（６）に記憶さ
れる。

第４図はバネ定数を設定するための入力装置（３）の構
成図である。この入力装置（３）はデイスプレィ（３１
）とキーボード（３２）からなっており、キーボードか
ら、Ｘ軸方向のバネ定数ｋ　　、Ｆ軸方向のバネ定数ｋ
　　、ｚ軸方向のバネ定数ｋ　　Ｓｘｙ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｚ軸回りのバネ
定数ｋ　　、ｙ軸回りのバネ定数に１ｒｘ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒｙＺ軸回りの
バネ定数ｋ　を゛数値で入力する。

ｚ このときバネ定数を６行６列の行列Ｋｓで表すと、 となる。

次に教示動作について説明する。

まず手先効果器（７）が作業対象物（８）に接触してい
ない状態を第５図に示す。また、バネ定数Ｋｓは既に設
定されているとする。このとき、外力が作用していない
ので、バネ中心位置姿勢Ｃ系と手先効果器（７）の位置
姿勢Ｅ系は一致し、操作箱（５）を用いてバネ中心−Ｃ
系を移動すると手先効果群位置姿勢Ｅ系も同様に移動し
、所望の位置姿勢で、第３図で示す操作箱の記憶キー（
５９）を押せば位置姿勢の教示が行われる。手先効果器
（７）を作業対象物（８）の方へ移動し、まさに接触し
ようとするところの例を第６図（ａ）に示す。この状態
からさらにＥ系２軸＋の方向へバネ中心位置を移動する
と作業対象物（８）と接触し反力を受は始める。作業対
象物（８）のバネ定数がロボットが設定されているバネ
定数に比べて十分大きいものとし、第６図（ｂ）に示す
ように接触した位置からＥ系２軸方向にΔ２バネ中心が
移動し点線の状態になったとする。このとき手先効果器
（７）はほぼ接触を開始した位置にとどまり、手先効果
器（７）が作業対象物（８）に作用しているｚ軸方向の
力をスカラ量ｆ　とし、２軸方向のバネ定数をスカラ量
ｋ　とするとことれらの間には次の関係が成り立つ。

ｆ　　　−ｋ　　　ΔＺ　　　　　　　　　　　　　　
（１５）ｚ　　　　　　ｚ また、作業対象物（８）のバネ定数ｋ　がロボットが設
定しているバネ定数に比べて無視できないとき、手先効
果器（７）は第６図（ｃ）のように接触を開始した位置
から移動した位置でつりあう。このとき次の関係が成り
立つ。

ｆ　　　−ｋ　　　Δｚ　　　　　　　　　　　　　　
（１７）ｚ　　　　　　ｚ ただし、Δ２゛は仮想バネ中心位置と実際の手先効果器
（７）の２軸方向の位置の差である。

作業対象物（８）のバネ定数がいずれの場合でも操作者
が所望の力を発生している、あるいは、所望の位置にロ
ボットアーム（１）があると考えた時点で操作箱の記憶
キー（５９）を押せばそのときのロボットアーム（１）
の位置姿勢およびロボットアーム（１）が発生している
力・トルクを教示データとして記憶することができる。

バネ定数ｋ　を小さく設定し、さらにバネ中心位置を微
小量ずつ変化させれば発生する力を微妙に調整すること
ができる。バネ定数ｋ　を大きく設定するかバネ中心位
置の移動量を大きくすれば、大きな力を発生することが
できる。また、第３図の操作箱（５）の移動を指示する
キー（５３）〜（５８）を押さずにバネ中心位置を一定
に保てば、発生している力も一定に保つことができる。

上記の教示動作の例ではＥ系２軸方向に関して述べたが
、当然能の座標軸に関してもバネとじて動作させ、位置
姿勢、力・トルクの教示を行うことができる。さらに座
標系に関してもＥ系のみならず、Ｗ系あるいはその他の
作業に応じて設定した座標系でも同様である。

また、移動させる方向が操作箱（５）のキーによって座
標軸ごとに分離して選択できるので、操作者が考えてい
る方向に移動させることができる。

本実施例では、力・トルクセンサ（２）がロボットアー
ム（１）の手首部に組み込まれたものを考えたが、各関
節あるいは指に組み込まれたセンサでも同様に位置姿勢
、力・トルクの教示が可能である。また、バネ動作の実
現を位置姿勢指令の修正で行ったが、関節サーボ系のゲ
インを適切に設定することでも可能である。さらにロボ
ットに限らず、工作機械などの教示に転用することも可
能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、操作箱を操作して
仮想的なバネ中心位置姿勢を変化させることにより発生
する力・トルクも変化させるようにしたので、ロボット
の位置姿勢および力・トルクの教示を極めて簡単に行う
ことが可能である。

また、力・トルクセンサを一つ用いるだけでよく安価な
装置の供給も可能であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるロボット制御装置の構
成図、第２図は座標系の定義を示す説明図、第３図は操
作箱の構成図、第４図はバネ定数入力装置の構成図、第
５図及び第６図は教示動作の説明図である。 図中、（１）はロボットアーム、（２）は力・トルクセ
ンサ、（３）はバネ定数入力装置、（４）はバネ動作制
御装置、（５）は操作箱、（６）は記憶装置である。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロボットアームに固定され作業対象物に作用している力
   およびトルクを計測する力、トルクセンサと、バネ定数
   を入力するバネ定数入力手段と、前記ロボットアームを
   前記バネ定数入力手段で設定されたバネ定数をもったバ
   ネとして動作させるバネ動作制御手段と、このバネ動作
   制御手段によって前記のバネ動作をさせるときの仮想的
   なバネの中心位置姿勢の移動を指示する操作手段と、前
   記ロボットアームの位置姿勢及び前記力・トルクセンサ
   で検出した力・トルクを記憶する記憶手段とを備え、前
   記操作手段によってバネ中心位置姿勢を移動することに
   より前記ロボットアームの位置姿勢および発生する力・
   トルクを変化させて、位置姿勢教示データおよび力・ト
   ルク教示データを得ることを特徴とするロボット教示方
   式。